Глубина цвета - это что такое в компьютерной графике?

Битовая глубина, или глубина цвета — это количество бит, используемых для указания цвета одного пикселя в растровом изображении или буфере кадра видео. Также этим понятием часто обозначается количество бит, используемых для каждого цветного компонента одного пикселя. Глубина двоичных знаков определяет количество уникальных цветов в палитре изображения с точки зрения количества 0 и 1 или “бит”, которые используются для указания каждого цвета.

Что такое битовая глубина

Глубина цвета — это количество двоичных знаков, используемых для хранения одного пикселя экрана. Другими словами, это количество различных цветов, которые могут быть представлены аппаратным или программным обеспечением. Но это не означает, что изображение обязательно использует все цвета. Когда речь идет о пикселе, понятие глубина цвета — это то, что может быть определено как бит на пиксель (bpp). Он определяет количество используемых двоичных знаков для одного пикселя. Тогда глубина цвета изображения относится к числу бит на пиксель на мониторе компьютера для представления определенного цвета.

Количество уникальных оттенков

Когда речь идет о цветовом компоненте, понятие может означать количество двоичных знаков на компонент — бит на канал или на цвет. Глубина цвета с большим значением может указывать на передачу цвета с таким высоким уровнем точности. В качестве альтернативы ее также называют пиксельной глубиной.

Изображения с более высокой битовой глубиной могут кодировать больше оттенков или цветов, поскольку имеется больше комбинаций 0 и 1. Глубина цветов — это количество таких комбинаций. Чем больше бит на пиксель, тем лучше цветопередача и качество монитора. Пространственное разрешение экрана монитора можно вычислить по следующей формуле: произведение количества строк изображения на общую сумму точек в строке.

Разрешение экрана и пиксельная глубина

Понятия количества цветов и глубины цвета связаны с понятием разрешения монитора. Монитор может отображать графику в различном качестве. Глубина цвета и разрешение характеризуют качество изображения.

Среди самых распространенных разрешений - 800 x 600, 1024 x 768, 1280 x 1024 пикселей на дюйм. Режим экрана и глубина цвета также зависят друг от друга. Зная один из параметров, можно рассчитать другой. Для изображения в градациях серого глубина бит определяет количество уникальных оттенков. Количество отображаемых цветов меняется в широком диапазоне. На современных мониторах и дисплеях глубина цвета — это параметр, который может принимать значение от 256 при глубине 8 бит до более чем 16 миллионов при глубине в 24.

Основные цвета и их кодирование

Каждый цветной пиксель в цифровом изображении создается с помощью комбинации трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Каждый основной цвет часто называют цветовым каналом. Он может иметь любой диапазон значений интенсивности, заданных его глубиной бита. Глубина бит для каждого основного цвета называется битами на канал. Бит на пиксель (bpp) относится к сумме двоичных знаков во всех трех цветовых каналах и представляет общие цвета, доступные на каждом пикселе. Часто возникает путаница с цветными изображениями, и может быть непонятно, относится ли размещенный номер к битам на пиксель или на канал. Использование bpp в качестве суффикса помогает различать эти два термина.

Примеры глубины цвета точки

У большинства цветных изображений с цифровых камер битовая глубина составляет 8 двоичных знаков на канал. Поэтому они могут использовать в общей сложности восемь 0 и 1. Глубина цвета и количество цветов при этом составляют 28 или 256 различных комбинаций, либо 256 различных значений интенсивности для каждого основного цвета. Когда все три основных цвета объединены в каждом пикселе, это позволяет использовать до 16 777 216 разных цветов, или “истинный цвет”. Такая глубина называется 24-битной, поскольку каждый пиксель состоит из трех каналов с глубиной цвета 8 бит. Количество цветов, доступных для любого X-битового изображения, равно 2X, если X относится к битам на пиксель, и 23X, если X относится к битам на канал.

Визуализация битовой глубины

Человеческий глаз может различать только около 10 миллионов разных цветов. Поэтому сохранение изображения, где глубина цвета — более 24 бит, является чрезмерным, если единственная цель — это обычный просмотр. С другой стороны, изображения с более чем 24 bpp все еще весьма полезны, поскольку они лучше сохраняются при пост-обработке. Потому этот параметр может быть полезен для фотографов. Цветные градации и палитру глубины цвета в изображениях с менее чем 8 бит на цветовой канал можно четко увидеть на гистограмме изображения. Доступные настройки битовой глубины зависят от типа файла. Стандартные файлы JPEG и TIFF могут использовать только 8 и 16 бит на канал соответственно.

Цветовая точность и гамма

Глубина цвета — это только один из аспектов цветового представления, определяющий, как можно выразить тонкие уровни цвета. Другим аспектом является то, как может быть выражен широкий диапазон цветов или гамма. Определение как цветовой точности, так и гаммы выполняется с помощью спецификации кодирования цвета, которая присваивает значение цифрового кода местоположению в цветовом пространстве.

Отличие графических чипов в системах VGA и Macintosh

Старые графические чипы, особенно те, которые используются в домашних компьютерах и игровых консолях, часто умеют применять другую палитру, чтобы увеличить максимальное количество одновременно отображаемых цветов. При этом использование памяти сводится к минимуму. Это важно для первых компьютеров, где память была дорогостоящей и не слишком большого объема. В то время как лучшие системы VGA предлагали только 18-битную палитру, из которой можно было выбирать цвета, все цветное видеооборудование Macintosh предоставляло 24-битную. Такие палитры были универсальными и могли применяться в любых последних аппаратных или файловых форматах.

Direct color

Если пиксели содержат более 12 бит, для типичных размеров экрана и глубины палитры индексированная палитра занимает больше памяти, чем пиксели, поэтому некоторые системы стараются напрямую указывать цвет непосредственно в пикселе. Например, 8-битный цвет — очень ограниченная, но истинная прямая цветовая система. Для каждого из компонентов R (красного цвета и G (зеленого цвета) есть 3 бита, 8 возможных уровней. При этом два оставшихся бита в байтовом пикселе — компонент B (синий цвет), занимающий четыре уровня, что позволяет использовать 256 разных цветов. Здоровый человеческий глаз менее чувствителен к синему компоненту, чем к красному или зеленому, потому что две трети рецепторов глаза обрабатывают более длинные волны. Поэтому он назначается на один двоичный знак меньше, чем остальные. 8-битный цвет можно перепутать с индексированной глубиной цвета 8bpp. Но этот параметр тоже можно моделировать в таких системах, выбирая подходящую таблицу.

High color

Высококачественная цветопередача, или режим High color, поддерживает 15/16-бит для трех цветов в системе RGB. В 16-битном цвете могут быть 4 бита, то есть 16 возможных уровней для каждого из компонентов R, G и B. А также дополнительно 4 двоичных знака для параметра "альфа", обозначающего прозрачность, что позволяет использовать 4 096 различных цветов с 16 уровнями прозрачности. В последнее время термин используется для обозначения глубин цвета, превышающих 24 бит. Он был разработан для представления и передачи “реальных” оттенков, которые воспринимаются человеческим глазом. Почти все наименее дорогие ЖК-дисплеи обеспечивают 18-битный цвет для достижения быстрого времени перехода по цвету и используют либо сглаживание, либо регулировку частоты кадров, чтобы приблизиться к 24-битной цветопередаче или полностью отбросить 6 бит информации о цвете. Более дорогие ЖК-дисплеи могут отображать 24-битную или большую глубину цвета.

True color

Цветопередача в 24 бита почти всегда использует 8 бит каждого из R, G, B. По состоянию на 2018 год 24-битная глубина цвета используется практически для всех компьютеров и телефонов, а также для большинства форматов хранения изображений. Почти во всех случаях, когда 32 бит на пиксель означают, что 24 используются для цвета, остальные 8 являются альфа-каналами или не используются. 224 дает 16 777 216 вариаций цвета.

Особенности человеческого восприятия цвета

Человеческий глаз может различать до десяти миллионов цветов, и поскольку гамма дисплея меньше, чем диапазон человеческого зрения, это означает, что этот диапазон содержит больше оттенков, чем может быть воспринято человеком. Однако дисплеи неравномерно распределяют цвета в пространстве для облегчения восприятия человеком, поэтому люди могут видеть изменения между соседними цветами в цветовой гамме. Монохроматические изображения устанавливают все три канала на одно и то же значение. В результате получается всего 256 различных цветов и, следовательно, более заметная полоса различия. Некоторое программное обеспечение пытается сгладить уровень серого в цветовых каналах, чтобы увеличить его, хотя в современном программном обеспечении это гораздо больше используется для субпиксельной визуализации. Она позволяет увеличить разрешение пространства на ЖК-экранах, где цвета имеют несколько разные позиции.

Deep color

Стандарты DVD-Video и Blu-ray Disc поддерживают бит глубиной 8 бит на цвет в YCbCr с подвыборкой цветности 4:2:0. Системы Macintosh относятся к 24-битовому цвету как к "миллионам цветов". Он также часто используется для обозначения всех глубин цвета, больших или равных 24. Глубокий цвет, или Deep color, состоит из миллиарда или более цветов. Используются глубины цвета 30, 36 и 48 бит на пиксель, также называемые 10, 12 или 16 бит на канал.

Использование глубины цвета в различных системах

Некоторые системы SGI имели 10 или более бит для видеосигнала и могли быть настроены для интерпретации данных, хранящихся таким образом для отображения. Часто для них добавляется альфа-канал того же размера, в результате получается 40, 48 или 64 бит для каждого пикселя. Некоторые более ранние системы размещали три 10-битных канала в 32-битном слове, причем 2 бита не использовались или использовались как 4-уровневый альфа-канал. Формат файла Cineon, который был популярен для движущихся изображений, использовал эту глубину цвета. Цифровые камеры могли производить 10 или 12 бит на канал в своих исходных данных, а 16 бит — это наименьшая адресуемая единица, которая позволяла бы обрабатывать данные.

Видеокарты с 10 бит на компонент начали выходить на рынок в конце 1990-х годов. Эти системы не использовали 16 бит для высокого динамического диапазона, а некоторые присваивают почти мистические возможности 16 битам, которые на самом деле не верны. Программное обеспечение для редактирования изображений, такое как Photoshop, начало использовать 16 бит на канал достаточно рано. Основная цель этого заключалась в том, чтобы уменьшить квантование промежуточных результатов. Если операция была разделена на 4, а затем умножена на 4, она потеряла бы нижние 2 бита 8-битных данных, но если использовались 16 бит, она не потеряла бы ни одного из 8-битных данных. В 2008 Microsoft объявила о том, что в Windows 7 поддерживаются цвета глубиной 30 бит и 48 бит, а также широкая цветовая гамма scRGB.

Доказано, поскольку люди в основном являются трихроматами, хотя существуют тетрахроматы, воспринимающие не три основных цвета, а четыре. Для хранения и работы с изображениями можно использовать "мнимые" основные цвета, но обычно их количество составляет три, как в системе RGB.